基于ProE的钻床夹具虚拟设计.doc

1、1 前言虚拟设计技术是由多学科先进知识所组成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时的、并行的模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效、更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高效化。传统设计的设计者是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计，设计阶段可视化程度不高，无法进行深层次的设计，如可装配性分析和干涉检验等，到原型生产出来后才暴露出问题。传统设计不但

2、不能准确、直观的了解自己设计的空间构造，还常常会出现错误并要花费大量的时间来修正这些错误，这样会增加生产成本。而虚拟设计的设计者在沉浸或非沉浸环境中随时交互、实时、可视化地对原型进行反复改进，并能马上看到修改结果，使得设计师能够更好的掌控自己的设计，不断的对自己的设计进行调整，进行不同方案之间的比较。虚拟设计具有可视化特点，便于改进和修正原有设计。支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期。本课题就是运用虚拟设计这种技术来进行钻床夹具的设计，这样不仅可以避免传统设计所带来的各种缺点，而且还可以更加直观的对设计进行全面的掌握与修改，提高产品生产的成功率与生产效率的最大化

3、。2 钻长轴3-10孔夹具设计2.1 设计任务本设计的主要任务是设计一个钻床夹具，零件的基本形状如下图所示，零件为轴，需要加工的主要是径向三个10的孔，三个孔的中心线角度均为45。为了使钻孔的位置精确，必须对零件进行固定定位，提高加工精度，使之满足使用要求。本零件的生产纲领为5000/年，因此需要设计专用夹具，方便加工及装卸，节省时间，提高工作效率。图2-1 加工零件图如图被加工零件的材料为45钢，加工轴径为75mm，孔深为9mm，孔为10mm，三个孔均匀的径向分布。根据零件需要大量的生产及其结构特点，设计选用回转式钻床夹具，夹具中使用分度盘和定位销，用来提高零件的定位与加工精度。2.2 夹具

4、的设计步骤2.2.1 明确设计任务书与收集设计材料夹具设计的第一步是在已知生产纲领的前提下，研究被加工零件的零件图、工序图、工艺规程和设计任务书，对工件进行工艺分析。其内容主要是了解工件的特点、材料；确定本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等。其次是根据设计任务书收集有关材料，如机床的技术参数，夹具零部件的国家标准、部颁标准和装订标准，各类夹具图册、夹具设计手册等，还可收集一些同类夹具的设计样图，并了解该厂的工装制造水平，以供参考。2.2.2 拟定夹具结构方案与绘制夹具草图A）确定工件的定位方案，设计定位装置。B）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。C

5、）确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。D）确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。E）确定和设计其他装置及元件的结构型式，如分度装置、定位装置及吊装元件等。F）确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。G）绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。2.2.3 进行必要的分析计算工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。有动力装置的夹具，需计算夹紧力。当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较好的方案。2.2.4审查方案与改进设计夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改。2.2.5 绘制夹具装配总图夹具的总装配

6、图应按国家标准绘制。绘图比例尽量采用1:1. 主视图按夹具面对操作者的反向绘制。总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。2.2.6 夹具总图的绘制次序如下：A)用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上。在总图中，工件可看作透明体，不遮挡后面夹具的线条。B)依次绘出定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、其他装置、夹具体及连接元件和安装基面。C)标注必要的尺寸、公差和技术要求。D)编制夹具明细表及标题栏E)完整的夹具装配总图可参阅夹具图册。2.2.7 绘制夹具零件图夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及

7、技术要求。2.3 钻床夹具的设计图2-2夹具的装配示意图如图2-1夹具的总装配示意图，底座、尾座的材料均为灰铸铁（HT200）。双顶尖设计为了实现工件的快速拆装，配合使用可以保证轴左右的移动量不会过大，减省了装配工件的时间，提高了工件的生产效率。本夹具为钻床专用夹具，生产的工件需要大批量生产，钻套最优选择的是可换钻套，但考虑夹具结构和空间设计的因素，钻套最终选用的是固定钻套。分度销是为了保证工件上三个孔的角度的精度，顶尖套安装在支架上给钻模板提供支撑作用，保证钻模板的固定。定位销可以保证工件和分度盘的位置不会产生相对移动，在旋转时可以转过相同的角度。2.4 夹具的工作原理与结构设计2.4.1

8、对定位元件的基本要求 足够的精度由于工件的定位是通过定位副的接触（或配合）实现的，定位元件上限位基面的精度直接影响工件的定位精度，因此，限位基面应有足够的精度，以适应加工的要求。 足够的强度和刚度定位元件不仅限制工件的自由度，还有支撑元件、承受夹紧力和切削力的作用，因此，因有足够的强度和刚度，以免使用中变形或损毁。 耐磨性好工件的装卸会磨损定位元件的限位基面，导致定位精度下降。定位精度下降到一定程度时，定位元件必须更换，否则，夹具不能继续使用。为了延长定位元件的更换周期，提高夹具的使用寿命，定位元件应有较好的耐磨性。 工艺性好定位元件的结构应力求简单、合理，便于加工、装配和更换。2.4.2 定

9、位方案与定位元件工件在夹具中定位的任务是：使同一工序中的一批工件都能在夹具中占据正确的位置，工件位置的正确与否，用加工要求来衡量，能满足加工要求的为正确，不能满足加工要求的为不正确。一批工件逐个在夹具上定位时，各个工件在夹具中占据的位置不可能完全一致，也不必要求它们完全一致，但各个工件的位置变动量必须控制在加工误差所允许的范围之内。该设计为了满足钻孔的需要，在定位过程中需要保证零件的中心轴线与夹具的轴线的同轴度，并且需要保证工件的端面和分度盘面的平行度。10的中心线和轴的中线的垂直度，所以工件的定位采用双顶尖和小平面定位。2.4.3 夹紧对夹紧装置的基本要求：夹紧过程中，不改变工件定位后占据的

10、正确位置。夹紧力的大小适当，一批工件的夹紧力要稳定不变。既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要是工件不产生过大的夹紧变形。夹紧力稳定可减小夹紧误差。夹紧装置的复杂程度应与工件的生产纲领相适应。工件生产批量越大，允许设计越复杂、效率越高的夹紧装置。工艺性好，使用性好。其结构力求简单，便于制造和维修。夹紧装置的操作应当方便、安全、省力。在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：工件不移动原则夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。工件不变形原则夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧

11、力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。工件不振动原则对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高支承元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。安全可靠原则夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。经济实用原则夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。夹紧机构-传递夹紧力，它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。要使动力装置所产生的力或人力正确地作用到工件上，需有适当的传递机构。在工件夹紧过程中

12、起力的传递作用的机构，称为夹紧机构。夹紧机构在传递力的过程中，能根据需要改变力的大小、方向和作用点。手动夹具的夹紧机构还应具有良好的自锁性能，以保证人力的作用停止后，仍能可靠地夹紧工件。2.4.4 钻削切削力需要钻孔零件的材料为45号钢，优质碳素结构钢，钢材的平均含碳量为0.45%。45号钢力学性能：抗拉强度 ；屈服强度 ；伸长率 16%；断面收缩率 40%；硬度：未热处理197HBS。钻削切削力的计算公式如表2-1：工件材料加工方法刀具材料切削扭矩计算公式切削力计算公式结构钢和铸钢=736MPa钻高速钢 扩钻耐热钢（HB141）钻灰铸铁（HB190）硬质合金 扩钻 高速钢可锻铸铁（HB120

13、） 钻硬质合金铜合金高速钢表2-1 钻削切削力的计算公式钻削时的进给量f：0.220.28mm/转，取f=0.25mm/转由表3-3可知，切削扭矩的计算公式 （2-1）为修正参数，它的计算公式因为10号钢的抗拉强度 ，取 （2-2）孔，带入式2-1得： （2-3）由表2-3可知，切削力的计算计算公式如下，其中f=0.25mm/转 （2-4）计算孔的切削力，带入式2-5得： （2-5）2.4.5 实际所需夹紧力的计算计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。根据工件受切削力、夹紧力（大型工件还应考虑工件重力，运动的工件还应考虑惯性力等）的作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，

14、按静力平衡原理计算出理论夹紧力。最后为保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即： （2-6）式中 实际所需夹紧力（N）； 在一定条件下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N）； 安全系数。安全系数K可按下试计算： （2-7）式中，为各种因素的安全系数，如表2-2。符号考虑的因素系数值考虑工件材料及加工余量均匀性的安全系数1.21.5 加工性质粗加工1.2精加工1.0刀具钝化程度（详见表3）01.9切削特点连续切削1.0断续切削1.2夹紧力的稳定性手动夹紧1.3机动夹紧1.0 手动夹紧的手柄位置操作方便1.0操作不方便1.2仅有力矩使工件回转时，工件与支撑面接触的情况接触点稳定1.0接触点不稳定1.5若安全系数K的计算结果小于2.3时，取K=2.5。表2-2 安全系数的数值钻孔时，根据表2-1、表2-2，带入式2-7，计算相应的安全系数得：